IGBTs là gì? Được biết đến là một loại linh kiện quan trọng trong các mạch điện, IGBT không chỉ có mặt trong các hệ thống biến tần và điều khiển động cơ mà còn góp phần tối ưu hóa hiệu suất cho nhiều thiết bị gia dụng khác. Vậy cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IGBT là gì? Vì sao nó lại đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý dòng điện cao và ổn định công suất? Hãy cùng SAVITEL tìm hiểu ngay trong bài viết dưới đây nhé!

IGBTs là gì?

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là một loại linh kiện bán dẫn công suất cao, kết hợp các đặc tính của MOSFET và BJT, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động trong các mạch điện công suất. Điểm nổi bật của IGBT là khả năng chịu tải cao và hiệu suất chuyển mạch nhanh, lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu xử lý dòng điện lớn như trong biến tần, bộ điều khiển động cơ và các thiết bị điện tử công nghiệp.

Tổng quan về IGBT

IGBT hoạt động nhờ cơ chế điều khiển điện áp ở cực Gate để kích hoạt dòng điện chạy từ Collector đến Emittor. Khi có điện áp dương tại Gate, một kênh dẫn điện được hình thành, từ đó cho phép dòng điện di chuyển qua linh kiện. Ưu điểm của IGBT là sự ổn định và hiệu quả năng lượng cao nhờ vào khả năng điều khiển dòng điện lớn với lượng tiêu thụ năng lượng ở cổng rất thấp, giúp giảm thiểu tổn thất điện năng và tăng hiệu suất hoạt động.

Dù được sử dụng phổ biến, IGBT có hạn chế khi chỉ cho phép dòng điện một chiều và khả năng xử lý cao ở tần số trung bình, giúp nó phù hợp nhất trong các hệ thống yêu cầu công suất cao nhưng không yêu cầu tốc độ chuyển mạch quá cao.

Cấu tạo IGBT 

Cấu tạo IGBTs là gì?

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là loại bán dẫn được cấu thành từ bốn lớp vật liệu bán dẫn, sắp xếp theo trình tự P+ - N- - P - N+.

  • Lớp P+ (Gần Collector): Lớp P+ đóng vai trò là lớp nền và là nơi bắt đầu của dòng điện trong quá trình dẫn. Nó giúp cải thiện khả năng chịu điện áp cao của thiết bị, đặc biệt khi cần xử lý các dòng lớn trong các hệ thống công suất.

  • Lớp N- (Lớp cách điện): Đây là lớp mỏng, có điện trở cao và tạo ra hiệu ứng cách điện, giúp giảm thiểu tổn hao điện năng trong quá trình bật-tắt IGBT. Lớp này cũng là yếu tố quyết định chính đến điện áp đánh thủng của thiết bị, đảm bảo IGBT hoạt động ổn định ở các mức điện áp cao​.

  • Lớp P (Gần Emitter): Lớp P giúp tăng khả năng dẫn dòng khi IGBT ở trạng thái bật, đồng thời cũng làm giảm điện trở tổng thể của thiết bị. Quá đó giúp chuyển dòng điện một cách hiệu quả và nhanh chóng, đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ chuyển mạch nhanh.

  • Lớp N+ (Nằm bên trong lớp P): Lớp N+ tăng cường hiệu quả của lớp P trong việc truyền tải dòng điện và giảm thiểu tổn thất năng lượng khi dòng điện chạy từ Emitter đến Collector. Lớp N+ không có trong tất cả các thiết bị IGBT mà chỉ có trong các loại nhất định, đặc biệt là các loại IGBT NPT (Non-Punch Through) nhằm tăng khả năng cách điện và tính ổn định khi làm việc với dòng lớn​.

IGBT được sử dụng như thế nào? 

IGBT được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp và điện tử công suất, nhờ vào khả năng đóng cắt nhanh và hiệu suất cao. Điểm nổi bật của IGBT là khả năng xử lý điện áp cao và dòng điện lớn, điều này làm cho nó rất phù hợp cho các thiết bị yêu cầu hiệu suất điện năng tối ưu, chẳng hạn như biến tần và hệ thống điều khiển động cơ.

IGBTs được sử dụng như thế nào? 

Trong hệ thống biến tần DC-AC, IGBT đóng vai trò chủ chốt trong việc chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều, từ đó giúp điều chỉnh công suất và tối ưu hóa hoạt động của các thiết bị điện tử công suất, đặc biệt trong các lĩnh vực công nghiệp và năng lượng.

Một ứng dụng phổ biến khác của IGBT là trong điều chế độ rộng xung (PWM), một kỹ thuật dùng để điều khiển tần số và biên độ nhằm điều chỉnh tốc độ động cơ. Kỹ thuật này cho phép các bộ điều khiển quản lý điện năng một cách hiệu quả, từ đó giúp tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Ngoài ra, IGBT còn có mặt trong các thiết bị nguồn điện không ngắt quãng (UPS), giúp duy trì nguồn điện liên tục khi có sự cố mất điện. 

Nguyên lý hoạt động của IGBTs

Nguyên lý hoạt động của IGBT (Transistor Bipolar Cổng Cách Ly) dựa trên sự kết hợp giữa MOSFET (Transistor hiệu ứng trường) và BJT (Transistor lưỡng cực). Cấu trúc này được thiết kế nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn dòng điện. Khi một điện áp dương được áp vào cổng (Gate), lớp MOSFET sẽ được kích hoạt, cho phép dòng điện chạy từ cực Collector đến cực Emitter. Điều này cho phép IGBT hoạt động giống như MOSFET qua cổng cách điện, nhưng dòng điện trong IGBT được điều khiển qua cấu trúc của transistor BJT, mang lại hiệu quả dẫn dòng và khả năng chịu tải cao hơn.

Nguyên lý hoạt động của IGBTs 

Một điểm nổi bật trong hoạt động của IGBT là khả năng đóng và ngắt dòng điện một cách hiệu quả. Tuy nhiên, quá trình ngắt có thể gặp phải hiện tượng dòng kéo dài (tail current), xảy ra khi các hạt điện tích tích tụ trong vùng p-n-p khi IGBT chuyển sang trạng thái tắt. Điều này làm cho thời gian ngắt của IGBT dài hơn so với MOSFET. Dù vậy, IGBT vẫn được đánh giá cao về khả năng chịu tải điện áp và dòng điện.

Với sự kết hợp giữa điều khiển đơn giản của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của BJT, IGBT được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện công suất lớn, như biến tần công nghiệp và điều khiển động cơ. Sự kết hợp này giúp IGBT đáp ứng yêu cầu về hiệu suất cao và tổn hao năng lượng tối thiểu, điều mà không phải loại linh kiện nào cũng có thể cung cấp. Nhờ những đặc điểm này, IGBT đã trở thành một thành phần không thể thiếu trong ngành điện tử công suất hiện đại.

Ưu nhược điểm của IGBT

Ưu nhược điểm của IGBT là gì?

Dưới đây là ưu và nhược điểm của IGBT mà bạn nên tham khảo trước khi muốn sử dụng: 

Ưu điểm của IGBT

  • Dễ dàng đóng ngắt và tiết kiệm năng lượng: Dễ dàng điều khiển nhờ khả năng đóng ngắt nhanh, đáp ứng tốt với các yêu cầu điều khiển công suất lớn. Từ đó tối ưu hóa quá trình vận hành, đặc biệt trong các hệ thống yêu cầu chuyển mạch nhanh và liên tục.

  • Khả năng chịu áp và dòng cao: IGBT có khả năng chịu được điện áp đầu ra lớn, thường từ 600V đến 1.5kV, phù hợp cho các ứng dụng công suất cao mà MOSFET khó đáp ứng. Đồng thời, nó cũng có khả năng chịu được dòng tải lớn lên đến khoảng 1KA, giúp giảm sụt áp trong quá trình vận hành.

  • Hiệu suất dẫn dòng và tiêu hao điện thấp: Nhờ vào cấu trúc lưỡng cực, IGBT có khả năng dẫn dòng hiệu quả hơn và có điện áp sụt thấp, giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng trong các ứng dụng yêu cầu hiệu quả cao.

Nhược điểm của IGBT

  • Tần số chuyển mạch thấp hơn: So với MOSFET, IGBT có tần số chuyển mạch thấp hơn, làm nó kém hiệu quả hơn trong các ứng dụng yêu cầu tần số cao như các bộ chuyển đổi DC-DC với điện áp đầu ra cao. Nếu IGBT hoạt động ở tần số cao, sự mất mát điện năng sẽ tăng lên, dẫn đến hiệu suất kém hơn trong các ứng dụng này.

  • Giá thành cao: IGBT thường có chi phí sản xuất cao hơn so với các linh kiện khác, dẫn đến vấn đề ít phổ biến được trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ.

  • Vấn đề trở kháng ngược và khả năng chịu nhiệt: IGBT không thể chịu được áp ngược lớn và có tốc độ tắt chậm, điều này hạn chế khả năng làm việc trong các ứng dụng có yêu cầu cao về độ tin cậy và chịu đựng nhiệt.

Ứng dụng của IGBT trong đời sống

IGBT được ứng dụng nhiều lĩnh vực trong đời sống

IGBT được ứng dụng phổ biến ở một số lĩnh vực như: 

  • Biến tần và hệ thống điều khiển động cơ: IGBT thường được dùng trong các hệ thống biến tần điều khiển tốc độ động cơ AC, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị như máy bơm, quạt công nghiệp và hệ thống HVAC. Khả năng chuyển mạch nhanh và điều khiển dòng điện ổn định của IGBT giúp các thiết bị vận hành êm ái và chính xác hơn.

  • Ứng dụng trong thiết bị hàn và lò cảm ứng: IGBT là lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống hàn điện và lò cảm ứng, do khả năng chịu tải lớn và tần số đóng ngắt cao. Đặc biệt, trong các lò tôi cao tần, IGBT hỗ trợ kiểm soát nhiệt độ và năng lượng hiệu quả, giúp tạo ra nhiệt lượng ổn định cho quá trình xử lý kim loại.

  • Lĩnh vực năng lượng tái tạo: IGBT đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện mặt trời và điện gió. Trong các bộ biến tần năng lượng tái tạo, IGBT giúp chuyển đổi dòng điện một chiều từ pin mặt trời hoặc tuabin gió thành dòng điện xoay chiều, cung cấp điện cho lưới điện một cách ổn định và hiệu quả.

  • Ô tô điện và xe hybrid: Các hệ thống điều khiển động cơ và bộ sạc của ô tô điện thường sử dụng IGBT để nâng cao hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng. IGBT giúp chúng hoạt động trơn tru, giảm thất thoát năng lượng trong quá trình nạp và xả, đồng thời kéo dài tuổi thọ cho hệ thống pin.

  • Hệ thống cung cấp điện UPS: Trong các hệ thống UPS, IGBT đảm bảo việc cung cấp điện liên tục và ổn định ngay cả khi có sự cố về nguồn điện chính. IGBT có khả năng chuyển mạch nhanh và ổn định, phù hợp để bảo vệ các thiết bị nhạy cảm trước các biến động về điện áp. 

Cách đo và kiểm tra IGBT sống hay chết có tốt không?

Cách đo và kiểm tra IGBT sống hay chết có tốt không?

1. Chuẩn bị thiết bị: Đảm bảo an toàn điện và chuẩn bị đồng hồ vạn năng có tích hợp chế độ đo diode. Nguồn điện áp giữa Collector và Emittor phải dưới 20V khi chân Gate hở.

2. Tiến hành đo:

  • Bước 1: Tháo IGBT ra khỏi thiết bị để tránh các yếu tố nhiễu từ mạch.

  • Bước 2: Nối tắt hai chân Gate và Emittor, đồng thời cấp điện áp khoảng 12V.

  • Bước 3: Cài đặt đồng hồ vạn năng ở chế độ diode, sau đó đặt cực dương que đo vào chân Emittor và cực âm vào chân Collector. Nếu kim đồng hồ chỉ đúng điện áp rơi trên diode của IGBT, thiết bị vẫn hoạt động tốt.

  • Bước 4: Đảo chiều các que đo để kiểm tra lại. Nếu đồng hồ chỉ hở mạch hoặc điện trở lớn, IGBT được coi là còn hoạt động tốt. Nếu cả hai chiều đều báo ngắn mạch hoặc có điện trở thấp, IGBT đã bị hỏng.

Lời kết

Hy vọng qua bài viết này, bạn đã nắm rõ IGBTs là gì cũng như cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của loại linh kiện này. Và nếu bạn còn bất kỳ thắc mắc nào liên quan, hãy liên hệ ngay tới SAVITEL để được giải đáp và tư vấn nhé!